酒泉市邊灣農(nóng)場鹽堿化土壤的脫硫石膏改良機(jī)理研究

雋偉超 張松林 段凱祥 駱艷

摘要：甘肅省酒泉市邊灣農(nóng)場土壤鹽堿化嚴(yán)重，致使農(nóng)業(yè)生產(chǎn)無法進(jìn)行，因此采用脫硫石膏對(duì)采自邊灣農(nóng)場耕作層的土樣進(jìn)行改良試驗(yàn)，以評(píng)估其對(duì)邊灣農(nóng)場鹽堿土改良的可行性。結(jié)果表明，與對(duì)照相比，施用脫硫石膏處理組（11 250～45 000 kg/hm2）的土壤pH、堿化度、總堿度和鈉吸附比均顯著降低，分別下降了11.38%～12.61%、20.07%～48.40%、4.81%～8.35%、5.5%～22.92%;土壤中Na+、Cl-、K+和Mg2+含量分別降低了16.78%～29.33%、25.44%～46.77%、4.93%～10.05%、6.61%～17.72%，土壤中Ca2+和SO42-含量分別增加了12.91%～43.46%、5.77%～40.77%，表明試驗(yàn)土樣的鹽堿化程度降低?？梢?，試驗(yàn)方案對(duì)改良邊灣農(nóng)場鹽堿化土壤有較好的效果，綜合考慮，脫硫石膏施用量為33 750 kg/hm2時(shí)改良效果最優(yōu)。

關(guān)鍵詞：鹽堿地;脫硫石膏;改良效果;邊灣農(nóng)場

中圖分類號(hào)：S156.4? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：0439-8114（2019）01-0049-04

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2019.01.011? ? ? ? ? ?開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）：

Study on Improvement Mechanism of Desulphurization Gypsum for Saline-Alkali Soil in Bianwan Farm，Jiuquan City

JUAN Wei-chao，ZHANG Song-lin，DUAN Kai-xiang，LUO Yan

（College of Geography and Environmental Science，Northwest Normal University，Lanzhou 730070，China）

Abstract： The salinization degree of soil in Bianwan farm， Jiuquan city， Gansu province， is so seriously that makes the agricultural production impossible. Therefore， the desulfuration gypsum was adopted to improve the soil samples from the tilling layer of Bianwan farm in order to evaluate its feasibility for improvement of saline-alkali soil. The results showed that， compared with the control group， the pH value， the degree of soil alkalization， total alkalinity and sodium adsorption ratio of the desulfurization gypsum treatment groups（11 250～45 000 kg/hm2） were significantly decreased， fell by 11.38% to 12.61%， 20.07% to 48.40%， 4.81% to 8.35%，and 8.35% to 22.92%， respectively; the content of Na+，Cl-，K+ and Mg2+ decreased by 16.78% to 29.33%， 25.44% to 46.77%， 4.93% to 10.05%， and 6.61% to 17.72%， respectively， and that of Ca2+ and SO42- increased by 12.91% to 43.46%， 5.77% to 40.77%. Thus， these phenomenons indicated an obvious decrease in salinity of the tested soil samples. So， the test scheme was good for the improvement of saline soil from Bianwan farm， and the optimal amount of desulfurization gypsum was 33 750 kg/hm2.

Key words： saline-alkali soil; desulfuration gypsum; improvement effect; Bianwan farm

中國鹽漬土約3 693萬hm2，占世界鹽堿土面積的1/10，占國土面積的1/3。其中，甘新內(nèi)陸鹽堿區(qū)面積1 400萬多公頃，為中國鹽堿土分布最廣、面積最大的區(qū)域，改良潛力巨大[1]。因此，需要深入研究鹽堿化土壤的改良利用原理，探討其適度開發(fā)利用技術(shù)，以緩解中國耕地占補(bǔ)平衡的巨大矛盾。

應(yīng)用石膏改良土壤的研究已有100多年的歷史[2]。國外許多學(xué)者[3-7]探討了利用石膏改良鈉質(zhì)鹽堿土的離子交換過程，并據(jù)以計(jì)算改良所需要的石膏數(shù)量。中國早在20世紀(jì)50年代就開始嘗試使用石膏改良鹽堿土，但是由于天然石膏的價(jià)格昂貴，大范圍田間實(shí)施比較困難。隨著人們環(huán)保意識(shí)的增強(qiáng)與環(huán)境保護(hù)政策的嚴(yán)格實(shí)施，火電廠都安裝了燃煤脫硫裝置，據(jù)統(tǒng)計(jì)，脫硫石膏年產(chǎn)量突破8 000萬t，這為石膏的來源提供了足夠的保障，并且脫硫石膏中含有植物必需的礦質(zhì)營養(yǎng)[8]。脫硫石膏大量露天堆放不僅占用土地，而且會(huì)造成二次污染，將其進(jìn)行鹽堿地改良可以實(shí)現(xiàn)廢物的二次利用。不少研究者嘗試將脫硫石膏用于鹽堿地的改良，如李煥珍等[9]利用脫硫石膏改良鹽堿化土壤取得了良好的效果。但是，由于對(duì)鹽堿土認(rèn)識(shí)不足、治理技術(shù)不高或者選用作物不適宜，導(dǎo)致鹽堿土改良和利用的效果不佳。所以，采用脫硫石膏改造鹽堿化土壤仍處于研究階段。

目前，對(duì)甘新內(nèi)陸地區(qū)鹽堿土改良的研究還很有限，且由于土壤和氣候條件不同，現(xiàn)有的改良技術(shù)也不能照搬到該區(qū)域。河西地區(qū)氣候干旱、水資源緊缺，鹽堿化土壤普遍存在。因此，本試驗(yàn)以甘肅省酒泉市邊灣農(nóng)場典型鹽堿土為例，研究脫硫石膏改良鹽堿土的效果，以期為該地區(qū)鹽堿化土壤的改良提供科學(xué)依據(jù)。

1? 材料與方法

1.1? 研究區(qū)概述

酒泉邊灣農(nóng)場位于甘肅省酒泉市肅州區(qū)，海拔1 380～1 400 m，總面積15.6 km²。屬于中國六大鹽堿區(qū)之一的甘新內(nèi)陸鹽漬區(qū)。研究區(qū)屬于溫帶大陸性干旱氣候，年降水量少，僅為87 mm，而蒸發(fā)量卻高達(dá)2 140 mm，光照強(qiáng)烈，鹽分隨著水分的蒸發(fā)在耕作層不斷集聚，鹽堿化嚴(yán)重，導(dǎo)致土地大面積棄耕。

1.2? 材料

所用脫硫石膏來自蘭州市西固熱電廠，主要成分為CaSO₄·2H₂O，重金屬等有害物質(zhì)含量低于國家土壤環(huán)境施用標(biāo)準(zhǔn);試驗(yàn)所用的花盆規(guī)格為上圓直徑23.5 cm、下圓直徑15.5 cm、高17.0 cm。

所用儀器有STARTER 3100 pH儀、AANALYST 400原子吸收光譜儀、DHG-9140A電熱恒溫鼓風(fēng)干燥烘箱、AR12CN萬分之一電子天平。

試驗(yàn)土壤樣品采集點(diǎn)是根據(jù)邊灣農(nóng)場鹽堿化棄耕地的鹽堿化程度和植被生長狀況確定了代表性區(qū)域，采集其0～30 cm的耕作層土樣;帶回室內(nèi)風(fēng)干、去除植物根系和石礫等雜物后磨碎，過0.9 mm篩，放于干燥的密封袋中備用。經(jīng)測(cè)定，土樣的pH 8.51，總堿度為0.402 cmol/kg，鈉吸附比為2.72，堿化度為35.20%，Na⁺、Ca²⁺、Mg²⁺、K⁺、Cl^-、SO₄^2-含量分別為1.952、3.850、1.865、0.735、1.990、21.900 g/kg。

1.2? 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

根據(jù)預(yù)試驗(yàn)結(jié)果，設(shè)置5個(gè)脫硫石膏施用量，每個(gè)處理3次重復(fù)，取土樣1.5 kg，按比例加入脫硫石膏0、4、8、12、16 g，使其含量分別達(dá)到0、11 250、22 500、33 750、45 000 kg/hm2;充分混勻后裝入花盆中，每隔7 d澆入相同體積的去離子水，加水量以保持土壤濕潤到可以沿花盆底部滲水為準(zhǔn);試驗(yàn)改良為期一個(gè)月。

1.3? 樣品分析

1.4? 數(shù)據(jù)處理

試驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計(jì)與分析采用Excel 2013和SPSS 22.0軟件。各指標(biāo)均以平均值顯示，而不同脫硫石膏處理間各指標(biāo)的差異顯著性檢驗(yàn)采用最小顯著差異法（LSD）。

2? 結(jié)果與分析

2.1? 土壤pH

從圖1可以看出，與對(duì)照相比，各脫硫石膏處理均顯著降低鹽堿化土壤的pH，下降了11.38%～12.61%。pH降幅（△pH）與脫硫石膏施入量之間為二次函數(shù)關(guān)系，R2為0.918 8;隨著脫硫石膏加入量增大，pH降幅先增加后減小，施入量為33 750 kg/hm²脫硫石膏處理組下降值達(dá)到最大（1.51）。

2.2? 土壤總堿度

改良前后土壤的總堿度變化見圖2，與對(duì)照相比，施入脫硫石膏使土樣的總堿度顯著減少，減少了4.81%～8.35%。減少量與脫硫石膏施用量之間呈現(xiàn)二次函數(shù)關(guān)系，R2=0.993 9，隨著脫硫石膏施用量增加，土壤總堿度的減少量增加。但是，脫硫石膏施用量為33 750和45 000 kg/hm2時(shí)總堿度減少量之間的差異不顯著。施入脫硫石膏增加了土壤中的Ca²⁺含量，使土壤中HCO₃^-和CO₃^2-與Ca²⁺發(fā)生沉淀反應(yīng)，從而減少了土壤的總堿度，使以碳酸氫鹽和碳酸鹽為主的鹽分類型逐漸向以硫酸鹽為主的中性可溶鹽轉(zhuǎn)化，有利于土體中有害鹽分向無害鹽分轉(zhuǎn)化[13]。

2.3? 土壤鈉吸附比

由圖3可知，土壤鈉吸附比減少量與脫硫石膏施用量呈二次函數(shù)關(guān)系，R2=0.983 1，與對(duì)照相比，脫硫石膏的施用導(dǎo)致土壤的鈉吸附比顯著降低，降幅為5.50%～22.92%，且隨著脫硫石膏施用量提高鈉吸附比減少量增加，但是當(dāng)脫硫石膏施用量為33 750與45 000 kg/hm²時(shí)，鈉吸附比減少量差異不顯著。處理組鈉吸附比的降低主要是由于施用脫硫石膏增加了土壤中的Ca²⁺含量，通過離子交換作用置換出土壤溶液中的Na⁺，隨水淋濾而去;而Ca²⁺含量隨著脫硫石膏的加入而增加。由于Ca²⁺優(yōu)先與Na⁺發(fā)生置換反應(yīng)，因此Na⁺的減少量多于Mg²⁺的減少量，所以降低了土壤的鈉吸附比。

2.4? 土壤離子

由圖4可知，隨著脫硫石膏的加入，土壤可溶性鹽分離子含量發(fā)生了變化。在澆水條件下，與對(duì)照相比，各脫硫石膏處理土樣的Na⁺和K⁺含量顯著降低，Ca²⁺和SO₄^2-含量顯著增加。

各脫硫石膏處理土樣Na⁺含量顯著降低，降幅為16.78%～29.33%;隨著脫硫石膏施用量提高，Na⁺含量減少量變大，以45 000 kg/hm²脫硫石膏處理組減少量最多，下降了29.33%。這是由于脫硫石膏所含的Ca²⁺進(jìn)入土壤后置換出Na⁺，進(jìn)入土壤溶液后隨水淋洗流失[14]。

與對(duì)照相比，脫硫石膏處理組K⁺和Mg²⁺含量也顯著降低，降幅分別為4.93%～10.05%、6.61%～17.72%;隨著脫硫石膏施用量提高，K⁺和Mg²⁺減少量增加，最多分別減少了10.05%和17.72%。同樣是由于施入脫硫石膏中的Ca²⁺置換出吸附在土壤膠體上的K⁺和Mg²⁺，進(jìn)入土壤溶液中在水洗作用下向下遷移淋失。但是K⁺和Mg²⁺減少量不如Na⁺，是由于Ca²⁺優(yōu)先與土壤中的Na⁺交換[15]。

土壤中Ca²⁺和SO₄^2-含量隨著脫硫石膏施用量提高而增加，增幅分別為12.91%～43.46%、5.77%～40.77%，，且均與對(duì)照組差異顯著。由于脫硫石膏本身是一種中溶性鹽，主要成分為CaSO₄·2H₂O，施用脫硫石膏增加了土壤溶液中Ca²⁺和SO₄^2-的含量;SO₄^2-有所增加有利于形成Na₂SO₄而淋濾流失，有利于中性土壤形成。

隨著脫硫石膏施用量增加，土壤中Cl^-含量降幅增加，降幅為25.44%～46.77%;這是由于加入的脫硫石膏中幾乎沒有氯離子，而Cl^-可與大多數(shù)陽離子形成可溶性鹽，隨著水淋出土體或者向下層土體移動(dòng)[16]。

2.5? 土壤堿化度

從圖5可以看出，堿化度降低值與脫硫石膏施用量之間呈二次函數(shù)關(guān)系，R2=0.989 4。與對(duì)照相比，脫硫石膏處理組土壤堿化度的降低量差異顯著，降幅為20.07%～48.40%，且隨著脫硫石膏施用量增加土壤堿化度的降幅越大，但到高值區(qū)（45 000 kg/hm²）后降幅反而有些下降。另外，澆水條件下，空白對(duì)照組（0 kg/hm²）土壤的堿化度也有輕微下降。

依據(jù)表1[17]中的鹽堿化程度分類標(biāo)準(zhǔn)，本研究土樣為重鹽堿化土壤;11 250和22 500 kg/hm²脫硫石膏處理組可將土樣從重堿化土改良為中堿化土;33 750和45 000 kg/hm²脫硫石膏處理組均可將重堿化土改良為輕堿化土，但是彼此之間的改良效果差異不顯著。

鹽堿土壤中含有大量的Na⁺和K⁺等鹽基離子，Na⁺是很好的分散劑，會(huì)導(dǎo)致土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性破壞，使土壤黏粒和團(tuán)聚體分散、土壤板結(jié)和透氣透水性變差，耕層土壤品質(zhì)下降，嚴(yán)重影響作物的生長[18]。土壤膠體對(duì)Ca²⁺有較高的吸附選擇性。施加脫硫石膏后，在水洗作用下不斷溶出Ca2+優(yōu)先持續(xù)置換土壤膠體上吸附的交換性Na⁺[19]，從而降低土壤堿化度。

3? 結(jié)論

施用脫硫石膏后，與對(duì)照相比，邊灣農(nóng)場土樣的pH、總堿度、鈉吸附比和堿化度的降幅差異顯著。其中，隨著脫硫石膏的施用量的增加，降幅越大，但并不是呈簡單的線性關(guān)系，超過一定的加入量（33 750 kg/hm²）時(shí)，降幅差異不顯著或者反而下降。

施用脫硫石膏后，與對(duì)照相比，土樣中Na⁺、Cl^-、K⁺和Mg²⁺含量顯著降低，施用量越大降幅越大，但是脫硫石膏施用量為33 750、45 000 kg/hm²時(shí)，降幅差異不顯著;與對(duì)照相比，施用脫硫石膏Ca²⁺和SO₄^2-含量顯著上升，并且施用量越大增幅越高。

綜上所述，綜合考慮經(jīng)濟(jì)成本和改良試驗(yàn)效果，施入脫硫石膏33 750 kg/hm²為邊灣農(nóng)場鹽堿地改良復(fù)墾的最優(yōu)選擇。

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